41 TECNOLOGIE PER INFUSIONE: RTM, VARTM E...

TECNOLOGIE E MATERIALI AEROSPAZIALI – Ver. 01CAP. 41 - TECNOLOGIE PER INFUSIONE: RTM, VARTM E RFI. TECNOLOGIE DEI PMC A FIBRA DISCONTINUA: SPRAY-UP, RIM, BMC, SMC

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G. Sala, L. Di Landro, A. Airoldi, P. Bettini 1 Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale – Politecnico di Milano

CAPITOLO

41

41 TECNOLOGIE PER INFUSIONE: RTM, VARTM E RFI.

TECNOLOGIE DEI PMC A FIBRA DISCONTINUA:

SPRAY-UP, RIM, BMC, SMC

Sinossi

e tecniche per infusione di resina liquida

consentono la produzioni di componenti in

composito molto complesse, con spessori anche elevati

e con strette tolleranze dimensionali. Come

conseguenza, risulta spesso possibile produrre in unico

componente pezzi altrimenti ottenuti per assemblaggio

di più parti prodotte singolarmente. Un altro vantaggio

è la possibilità di integrare elementi prodotti

separatamente e strutture sandwich, direttamente in

fase di produzione. Il Resin Transfer Molding (RTM)

rappresenta la tecnica più comune; è un processo a

stampo chiuso, in cui è inserito il sistema di rinforzo

secco (fibre, tessuti, preforma) e in cui la resina viene

iniettata in pressione e reticolata. Sulla base di RTM

sono stati sviluppati numerosi processi che prevedono,

ad esempio, l’impiego del vuoto per l’aspirazione della

resina in stampo chiuso, l’infusione della resina

assistita da vuoto in un sistema stampo aperto/sacco a

vuoto contenente il rinforzo (Vacuum assisted resin

transfer molding – VARTM; con diverse varianti),

l’infusione di film di resina attraverso lo spessore del

letto di fibre/tessuti di rinforzo (Resin film infusion -

RFI). Inizialmente impiegate solo nella produzione di

componenti rinforzati in ambito automobilistico,

navale, civile, alcune di queste tecniche hanno

suscitato grande interesse da parte dell’industria

aerospaziale per la produzione di componenti strutturali

complessi e vengono descritte in questo capitolo. La

Tabella 41.1 riporta le principali caratteristiche di alcune

di queste tecniche.

Esiste inoltre un grande numero di importanti processi

impiegati ampiamente per la produzione di componenti

rinforzati in diversi ambiti industriali, ma di limitata

importanza in campo aerospaziale; anche in tale ambito

tuttavia, queste tecniche risultano di interesse per

componenti non strutturalmente critici e/o destinati ad

applicazioni a perdere, come ad esempio serbatoi

supplementari o lanciatori, con stringenti requisiti di

economicità. Questi sono spesso componenti rinforzati

con fibre di vetro e resine termoindurenti reticolabili a

bassa temperatura.

Alcune di queste tecniche vengono descritte in questo

capitolo, in particolare la laminazione manuale e spray, lo

stampaggio per compressione, lo stampaggio per

iniezione.

L





Tabella 41.1 – Peculiarità dei principali processi di

infusione di resina

Resin

transfer

molding (RTM)

- resina iniettata in stampo + controstampo rigidi,

sotto pressione

- può essere impiegato vuoto per assistere l’iniezione - si possono ottenere elevati contenuti di fibra (55-60

% vol)

- si possono co-iniettare diversi sistemi di resina (CIRTM)

Vacuum assisted

RTM

(VaRTM)

- utilizza normalmente un solo stampo rigido + sacco sigillato (a volte sistema stampo + controstampo –

vedi RTM)

- impiega solo vuoto (senza pressione) per aspirare la resina nello stampo

- richiede resine a bassa viscosità

- ottima finitura sul lato stampo - attrezzature più economiche che in RTM

- contenuti di fibra fino a 50-55% vol

- diverse tecnologie (ad es. SCRIMP - Seeman

composite resin infusion molding process e

FASTRAC – fast remote actuated channelling) sono

brevettate.

Resin film

infusion (RFI)

- film di resina è posto sulla superficie dello stampo;

calore e pressione in autoclave fluidificano e spingono la resina attraverso la preforma

- utilizza normalmente stampo + controstampo

- permette la produzione di componenti di alta qualità - variazioni prevedono l’infusione di resina già

liquida (RLI) o l’interposizione di film di resina tra

gli strati di fibre (SPRINT).

41.1 Resin Transfer Molding – RTM

l processo RTM prevede la produzione di una

preforma di fibre secche che viene posta all’interno

di uno stampo chiuso, l’iniezione in pressione di resina

a bassa viscosità e la reticolazione nello stesso stampo,

l’apertura e l’estrazione del pezzo praticamente finito.

Le fasi della lavorazione sono riassunte nella Figura

41.1.

Figura 41.1 – Fasi del processo RTM per la produzione

di componenti in composito.

La preforma

Il sistema di rinforzo è costituito da una preforma di fibre

continue o discontinue oppure tessuti, assemblate con

l’ausilio di leganti polimerici (binder) che permettono di

mantenere la forma durante il maneggiamento. Sistemi di

cucitura e agugliatura (stitching), di tessitura in tre

dimensioni (ad esempio tessuti multiassiali e braiding)

permettono di ottenere preforme anche complesse, stabili

e ripetibili mediante attrezzature automatiche. La Figura

41.2 mostra alcuni esempi di tecniche di produzione di

preforme impiegabili in processi RTM. La Figura 41.3

mostra la produzione di una preforma in fibra di vetro

mediante braiding.

Figura 41.2 – Alcune tecniche di produzione di preforme.

I





Figura 41.3 – Produzione mediante braiding di una

preforma in fibra di vetro.

Le attrezzature di produzione delle preforme sono state

adattate per poter lavorare con fibre di alta rigidezza e

durezza. Tuttavia le operazioni di tessitura introducono

spesso degradazione delle fibre a causa di abrasione e

piegatura dei fili; per ridurre tali effetti sono sempre

impiegati appretti polimerici protettivi e lubrificanti,

che devono risultare compatibili con le matrici di

impregnazione. Inoltre, nelle operazioni di tessitura, è

generalmente necessario utilizzare trefoli arrotolati

(twisted); questo introduce disallineamento delle fibre

e riduzione delle caratteristiche di resistenza e

rigidezza rispetto a fibre allineate.

Rinforzi tridimensionali, con fibre dirette nelle tre

direzioni, sono utilizzati normalmente per migliorare

la stabilità e la maneggiabilità della preforma, per

migliorare la resistenza a delaminazione, per

incrementare la resistenza/rigidezza a sollecitazioni

fuori dal piano. Se l’obiettivo è la maneggiabilità,

1-2% di fibre allineate in direzione z (fuori dal piano)

sono sufficienti; se l’obiettivo è di migliorare la

resistenza a delaminazione, 3-5 % di fibre in direzione

z forniscono importanti incrementi di resistenza

interlaminare e durabilità; per resistere ugualmente a

sollecitazioni fuori dal piano, come nel piano possono

essere necessarie frazioni di fibra in direzione z fino a

33 %.

Figura 41.4 – Preforme di travi ed elementi di

irrigidimento in carbonio.

Per applicazioni che non richiedono elevate prestazioni,

ad esempio in ambito automobilistico o delle costruzioni,

vengono impiegate preforme in mat di fibre discontinue o

unifilo, solitamente in vetro, con la possibilità di ottenere

forme complesse in modo rapido ed economico.

Tabella 41.2 – Aspetti positivi e criticità di diverse tipologie

di preforme.

L’impiego di preforme presenta diversi vantaggi rispetto a

tecniche di laminazione tradizionali. Preforme possono

essere facilmente maneggiate, trasportate, deformate e

pressate nello stampo. Preforme diverse possono essere

assemblate e impregnate/reticolate contemporaneamente

(cocuring) ad ottenere componenti complessi senza

giunzioni, ad esempio pannelli con costole di

irrigidimento possono essere ottenuti assemblando

preforme ottenute separatamente, che vengono poi

impregnate e indurite in unico stampo e processo (Figura

41.4). La produzione separata delle preforme ottimizza i

tempi di inserimento del rinforzo in stampo, riducendo i

costi di produzione. D’altra parte, la generazione di

preforme complesse a partire da fibre o tessuti piani

comporta flessione, formazione di pieghe e

disallineamenti delle fibre oltre che una minore frazione di





rinforzo nel composito finale con riduzione delle

prestazioni rispetto a laminazioni con nastri

unidirezionali. L’impiego di software di simulazione

della deformazione di tessuti e fibre consente di

seguire il posizionamento del rinforzo (draping),

ottimizzando distribuzione e orientamento di fibre e

tessuti, compatibilmente con i requisiti della preforma

e della preformatura, individuando eventuali zone

critiche e suggerendo possibili modifiche per la loro

soluzione.

La Tabella 41.2 riassume i principali vantaggi e

svantaggi di diverse tipologie di preforme.

Iniezione della resina

Una volta che la preforma o i tessuti di rinforzo sono

posizionati nello stampo, questo viene chiuso in pressa

e viene iniettata la resina liquida in pressione. Il

processo di infiltrazione della resina attraverso le fibre

segue la legge di Darcy che descrive il flusso di un

fluido attraverso un mezzo poroso: la velocità del

fluido (v), è proporzionale alla permeabilità della

preforma (K) e al gradiente di pressione P, è

inversamente proporzionale alla viscosità della resina

(); considerando le componenti di flusso nelle tre

direzioni la legge di Darcy è:

PK

v

v e K sono rispettivamente il vettore velocità e il

tensore permeabilità del mezzo nelle tre direzioni.

Assumendo invece un flusso monodirezionale,

considerando che la velocità è pari alla portata per

unità di area (Q/A) l’equazione diventa:

dL

dP

η

K

A

Q

dove L è il percorso di infiltrazione.

Per potere riempire lo stampo in tempi ridotti (Q/A

elevato), è necessario impiegare una preforma con alta

permeabilità, operare ad alta pressione, utilizzare una

resina a bassa viscosità. Per ridurre la viscosità della

resina è possibile operare a resina e/o stampo

preriscaldati, anche se questo riduce il tempo di

indurimento. Ove necessario possono essere impiegati

punti di ingresso della resina nello stampo multipli,

allo scopo di velocizzare il riempimento e raggiungere

anche zone critiche.

La resina ideale per RTM ha una bassa viscosità, che

consente di completare l’impregnazione della

preforma, un tempo di reticolazione sufficientemente

lungo alla temperatura di iniezione per consentire il

riempimento anche a pressione non eccessiva e un

basso contenuto di sostanze volatili per minimizzare la

formazione di vuoti e porosità. La Tabella 41.3 riassume

l’influenza dei diversi parametri operativi sulla

conduzione del processo e sulla qualità del manufatto.

La viscosità è uno dei fattori di maggiore importanza nella

scelta della resina per RTM. Resine con viscosità basse,

inferiori a 500 cP sono tipiche per questa tecnologia.

Sebbene siano state impiagate anche resine con viscosità

maggiori, queste impiegano temperature e pressioni

superiori e richiedono pertanto stampi più rigidi e pesanti

per evitare deformazioni in fase di iniezione. La resina

viene miscelata con il catalizzatore o il reticolante prima

dell’iniezione e normalmente viene degasata per eliminare

aria intrappolata e sostanze volatili. Resine epossidiche e

bismaleimmidiche a bassa viscosità sono impiegate nella

produzione di componenti aerospaziali; peraltro, al

momento, tali resine producono prestazioni generalmente

inferiori rispetto a quelle delle matrici per preimpregnati,

soprattutto per quanto riguarda la resistenza interlaminare.

Attualmente, solo pochi sistemi di resina sono qualificati

per impieghi aerospaziali; tra queste la resina più comune

è Hexcel RTM6. Resine poliesteri, vinilesteri e altre

trovano applicazioni in altri settori industriali.

La Figura 41.5 mostra uno schema di processo RTM.

Oltre che per il degasaggio preliminare della resina, il

vuoto è spesso utilizzato anche durante l’iniezione, per

assistere l’infiltrazione della resina, rimuovendo l’aria

intrappolata nella preforma e nello stampo. Il vuoto aiuta

il flusso della resina e rimuove, oltre all’aria, umidità e

sostanze volatili, favorendo l’eliminazione di vuoti e

porosità con un significativo effetto sulla qualità e sulle

prestazioni strutturali del manufatto. Naturalmente è

fondamentale che lo stampo sia sigillato e non permetta

l’ingresso di aria, che altrimenti non consentirebbe il

completo riempimento.

Sebbene la pressione di iniezione possa variare dalla sola

aspirazione del vuoto fino a 30-35 bar, pressioni effettive

di 7 bar o meno vengono solitamente impiegate. Pressioni

eccessive, oltre a richiedere stampi più pesanti, possono

indurre spostamenti e deformazioni della preforma

durante l’ingresso della resina.

Il tempo di riempimento dello stampo è funzione della

viscosità della resina, della permeabilità della preforma,

della differenza di pressione tra ingresso e uscita della

resina, delle dimensioni del manufatto, del numero e

posizione dei punti di iniezione. Solitamente sono

possibili diverse strategie di progettazione dell’iniezione;

la Figura 41.6 mostra tre comuni modalità: a) iniezione

laterale, b) iniezione centrale o puntuale, c) iniezione

periferica. Nell’iniezione laterale la resina entra su un lato

della preforma e fluisce in una direzione; l’aria viene

espulsa o aspirata sul lato opposto. Nell’iniezione centrale

la resina è iniettata in uno o più punti al centro della

preforma e la resina fluisce radialmente; l’aria è espulsa

mediante canali posti sulla periferia della forma.

Viceversa, nell’iniezione periferica, la resina fluisce a

partire da canali periferici verso il centro della preforma,

dal quale esce l’aria espulsa. Quest’ultima modalità risulta





solitamente più rapida, anche se lo stesso componente

può normalmente essere prodotto indifferentemente

con strategie diverse.

Tabella 41.3 – Influenza dei parametri di lavoro sul processo RTM e sul manufatto.





Figura 41.5 – Schema di impianto RTM

Figura 41.6 – Modalità di iniezione della resina

E’ importante che la preforma occupi uniformemente

tutto lo spazio disponibile all’interno dello stampo, sia

per evitare zone ricche di resina nel manufatto finale,

che rappresentano generalmente punti di debolezza e

fragilità, sia per evitare percorsi preferenziali della resina,

che raggiungerebbe i canali di uscita prima di avere

completato il riempimento e l’impregnazione delle fibre.

La forma del manufatto deve quindi cercare di evitare la

presenza di spigoli e raggi di curvatura ridotti e zone con

contenuto di fibre molto diverso. La progettazione del

componente prodotto con RTM dovrebbe quindi tenere in

considerazione anche i requisiti specifici del processo

produttivo, oltre che strutturali e funzionali del manufatto.

Al termine del riempimento il canale di uscita viene

sigillato e la resina viene portata a reticolazione,

solitamente mantenendo applicata pressione. Per il

riscaldamento, gli stampi sono dotati di circuito di

riscaldamento integrato, oppure vengono inseriti in forno

o pressa a piani caldi. La Figura 41.7 mostra la preforma

ed il relativo componente in carbonio/epossidica prodotto

mediante RTM.

Figura 41.7 – Preforma e componente in carbonio epossidica

prodotto con RTM (Lamiflex Group).

41.2 Resin Film Infusion – RFI

l processo RFI è una variante di RTM sviluppata

specificatamente per applicazioni aerospaziali da

NASA e Boeing per affrontare alcune problematiche di

RTM tradizionale. In particolare resine impiegate in

preimpregnati e qualificate per impieghi aerospaziali

hanno tipicamente viscosità troppo alte per poter fluire

attraverso preforme di grosse dimensioni, costituite da

tessuti cuciti tra loro (agugliati – stitched). Con questo

processo, uno strato di resina, solida a temperatura

ambiente (la resina inizialmente impiegata è Hexcel 3501-

6) viene posto sulla superficie dello stampo inferiore; su

questo vengono quindi posizionate la preforma di tessuti

cuciti, lo stampo superiore e il sacco a vuoto (Figura

41.8). Durante il ciclo in autoclave la resina, riscaldata,

diventa fluida e infiltra la preforma per effetto del vuoto e

della pressione dell’autoclave. Al termine

dell’infiltrazione viene innalzata la temperatura e portata a

reticolazione la resina. Un tipico ciclo in autoclave per

RFI è rappresentato in Figura 41.9.

I





Figura 41.8 – Schema del processo RFI

Figura 41.9 – Ciclo in autoclave per RFI

Figura 41.10 – Pannello alare integrale prodotto

mediante RFI (NASA- Boeing)

Con questa tecnica viene drasticamente ridotto il

percorso di permeazione della resina: ciò consente di

operare a temperature superiori, così da ridurre la

viscosità della resina a valori utili per l’impregnazione

prima che intervenga la reticolazione. Al fine di

assicurare il completo riempimento, sono necessarie

resine in grado di mantenere una viscosità

sufficientemente bassa (100-300 cP) per il tempo

necessario alla completa permeazione (fino a 120 min)

prima della reticolazione. La conduzione del processo

richiede perciò una corretta comprensione delle relazioni

tra compattazione e permeabilità della preforma e tra

viscosità e cinetica di reazione della resina. Con questa

tecnica sono stati prodotti pannelli alari con irrigidimenti

integrati in unico componente di lunghezza superiore a 12

m (Figura 41.10).

Varianti del processo prevedono l’interposizione di strati

di resina tra i tessuti o l’impiego di resina liquida a bassa

temperatura (RLI).

41.3 RTM assistito da vuoto (VaRTM)

l processo VaRTM utilizza il solo vuoto sia durante

l’infusione che durante la reticolazione. Stampi e

attrezzature sono più economici e semplici rispetto a RTM

convenzionale. Inoltre, poiché l’autoclave non è

necessaria, è possibile produrre strutture di grandi

dimensioni. L’impiego di basse pressioni rende inoltre

agevole l’inserimento di rinforzi e irrigidimenti costituiti

da schiume espanse. Tra le tipiche applicazioni si

ricordano yacht e imbarcazioni in generale. La tecnica è

stata anche recentemente impiegata per la costruzione di

piccoli velivoli.

Nel VaRTM viene utilizzato un solo semistampo rigido su

cui sono posizionati la preforma o tessuti secchi di

rinforzo e il sacco a vuoto (Figura 41.11). Solitamente

viene impiegato anche un mezzo poroso che facilita il

trasporto omogeneo delle resina lungo la superficie e la

saturazione della preforma. In questo caso l’infiltrazione

delle fibre avviene principalmente attraverso lo spessore

del rinforzo. Il mezzo poroso è spesso costituito da una

maglia in nylon o polipropilene. La presenza del mezzo

poroso riduce la possibilità di formazione di percorsi

preferenziali per la resina.

Figura 41.11 – Schema di VaRTM

Il riscaldamento dello stampo per la reticolazione della

resina può essere condotto sia in forno che mediante

elementi riscaldanti integrati nello stesso stampo. Date le

basse pressioni coinvolte gli stampi sono leggeri; i

I





materiali impiegati possono essere diversi, come

lamiere in acciaio, stampi in alluminio, a tavole fresate

in resina polimerica, stampi in fibra di vetro.

Al fine di minimizzare differenze nella pressione di

compattazione e a maggiore garanzia di tenuta, può

essere impiegato un sistema a doppio sacco con mezzo

poroso (breather) interposto tra i due (Figura 41.12). Il

vuoto, aspirato tra i due sacchi, è in grado di prevenire

l’ingresso di aria nella preforma attraverso eventuali

perdite nel primo sacco. Il film del sacco a vuoto può

essere riutilizzato per ridurre i costi, soprattutto nel

caso di forme estese e complesse.

Figura 41.12 – Schema di VaRTM con doppio sacco a

vuoto

La resina per VaRTM dovrebbe avere viscosità

inferiore a quella dei normali processi RTM; viscosità

inferiori a 100 cP sono generalmente richieste per

potere completare l’impregnazione del rinforzo in

vuoto. E’ buona norma prevedere il degasaggio della

resina prima dell’infusione, per eliminare sostanze

volatili e aria intrappolata durante la miscelazione dei

componenti.

Figura 41.13 – Variazione della distribuzione di

pressione durante il riempimento.

L’infusione avviene a temperatura ambiente o

superiore. Nel caso di preforme di grandi dimensioni

(ad es. imbarcazioni) vengono impiegati punti di

ingresso ed uscita multipli, al fine di ridurre il percorso

effettivo della resina. Va infatti considerato che,

operando con differenza di pressione costante tra

ingresso e uscita, l’effettivo gradiente di pressione dP/dx,

dove x è il percorso di riempimento, diminuisce man

mano che le resina fluisce nella preforma (Figura 41.13).

In accordo con la legge di Darcy, quindi, la velocità di

riempimento si riduce in modo corrispondente con

l’avanzare del fronte di resina.

Sempre in conseguenza della ridotta pressione impiegata,

con VaRTM risulta più difficile ottenere elevati contenuti

di fibra come in RTM o in laminazione in autoclave.

Operando in stampo aperto, inoltre, il controllo degli

spessori e la qualità della superficie non a contatto con lo

stampo rigido risultano inferiori rispetto a RTM.

41.4 La simulazione dei processi RTM

l fine di ottimizzare il percorso della resina e il

processo di riempimento globale sono disponibili

programmi di simulazione fluidodinamica che, sulla base

della legge di Darcy, consentono di stimare il percorso

della resina, il tempo di riempimento, la posizione

ottimale dei punti di ingresso/uscita della resina nei

diversi processi di trasferimento di resina.

Nella tecnologia RTM fenomeni differenti, come il flusso

di resina, la trasmissione del calore e la reazione di

reticolazione, sono coinvolti contemporaneamente durante

il processo e, al fine di sviluppare un modello generale, è

necessario realizzare dei sottomodelli specifici per i vari

fenomeni presi in considerazione.

Il processo prevede due fasi sequenziali, il riempimento e

la cura; i sottomodelli per ciascuna fase possono essere

raggruppati in due tipi. Il primo prevede tutte le relazioni

di equilibrio: quella del flusso di resina, dei flussi di

calore e del bilancio di massa. Tutte queste equazioni sono

fortemente interconnesse attraverso numerosi parametri.

Ad esempio il sottomodello che descrive il flusso della

resina, mediante la legge di Darcy, è influenzato dal

trasferimento di calore e dalla reazione di reticolazione

che influiscono sulla viscosità della resina; quest’ultima,

infatti, si modifica al variare della temperatura e del grado

di reticolazione.

Nel caso generale, considerando l’iniezione della resina in

stampo e preforma riscaldati, all’inizio del riempimento

solitamente la viscosità diminuisce all’aumentare della

temperatura a causa del contatto con le fibre e le pareti

dello stampo; contemporaneamente, questo aumento di

temperatura attiva la reazione di reticolazione, portando a

un successivo aumento di viscosità e del grado di

reticolazione che, a loro volta, sono influenzati dalla

convezione del fluido.

In processi isotermi e nel caso di resine con velocità di

reticolazione lenta, il trasferimento di calore può essere

trascurato in prima approssimazione; assumendo viscosità

costante si lascia la modellazione del riempimento alla

sola equazione di flusso (Darcy). Allo stesso modo,

durante il processo di cura, quando la resina smette di

fluire, i termini di flusso e convezione, presenti nelle

A





equazioni di bilancio di massa e trasferimento del

calore, possono essere trascurati.

Nel processo RTM, le fibre in cui scorre la resina sono

considerate come un mezzo poroso. Il modello di

Darcy, tipicamente utilizzato per descrivere il moto di

un fluido in tale mezzo, può essere derivato

dall’equazione di Navier-Stokes assumendo l’ipotesi

di flusso laminare a basso numero di Reynolds

trascurando le forze d’inerzia. Inoltre si considera

valida l’ipotesi di fluido newtoniano (viscosità

indipendente dalla velocità di deformazione).

In generale, la legge di Darcy viene applicata nelle

diverse direzioni di flusso e la permeabilità è

rappresentata da un tensore in cui tutte le componenti

sono diverse da zero; se il mezzo risulta ortotropo

(come nel caso di tessuti), è possibile individuare tre

direzioni principali e, adottandole come assi

coordinati, il tensore di permeabilità diventa diagonale.

I tre elementi diagonali così ottenuti prendono il nome

di permeabilità principali. Nel caso in cui il mezzo

risulti isotropo, il valore della permeabilità può essere

ricondotto ad uno scalare (vedi par. 41.1).

La permeabilità rappresenta quindi l’attitudine del

mezzo poroso a lasciarsi impregnare da un fluido;

questa proprietà fisica è una caratteristica del rinforzo

(tessuto, mat, unidirezionale) e viene misurata

sperimentalmente lungo le direzioni principali.

I fenomeni riconducibili al trasferimento di calore

influenzano tutte le fasi di un processo RTM. La

temperatura della resina regola la reattività della

reazione di reticolazione, inoltre la stessa viscosità del

fluido è fortemente dipendente dalla temperatura e dal

grado di reticolazione. Le simulazioni di fenomeni

termici sono molto complesse perché bisogna gestire

le relazioni che intercorrono tra i vari modelli. Nella

fase di cura, inoltre, la reazione esotermica di

reticolazione produce calore; la dissipazione viscosa

durante il riempimento rappresenta invece un termine

solitamente trascurabile.

Generato il modello per l’analisi, per risolvere il

problema è necessario imporre delle condizioni al

contorno, che possono essere di due tipi:

le condizioni di Dirichlet o pressione imposta. La

pressione è definita e imposta su una porzione del

contorno. In questo caso rientra anche l’infusione

sotto vuoto, dove la pressione nel foro di entrata

della resina è semplicemente quella atmosferica.

Negli altri casi, invece, la pressione è imposta da

sistema di iniezione della resina;

le condizioni di Neumann o velocità imposta. La

velocità della resina nel foro di entrata è imposta e

tale condizione è accompagnata da una pressione

massima di esercizio.

Generalmente, per una modellazione numerica, è utile

effettuare alcune semplificazioni che, per il processo

considerato, si possono riassumere nei seguenti punti:

le lamine di tessuto sono posizionate all’interno dello

stampo rigido e nessuna deformazione avviene durante

il processo di riempimento;

gli effetti inerziali non vengono considerati; questa è

un’ipotesi ragionevole avvalorata dal basso numero di

Reynolds del flusso;

la tensione superficiale è trascurabile in confronto alle

forze viscose che sono dominanti nel processo; si

trascurano gli effetti di capillarità;

in componenti sottili, le differenze di velocità e di

pressione nello spessore sono trascurate in modo da

poter considerare il flusso bidimensionale.

Nel caso di una modellazione tridimensionale l’ultimo

punto viene abbandonato e sarà necessaria un’attenta

valutazione della permeabilità del rinforzo in tutte le

direzioni.

Figura 41.14 – Simulazione dell’ infusione di pala eolica. I

diversi colori indicano i tempi di riempimento (PAM-RTM).

Figura 41.15 – Confronto tra simulazione e infusione reale

VaRTM di uno scafo.

In commercio esistono diversi software dedicati alla

simulazione del processo RTM (PAM-RTM, RTM Worx,





Moldflow, ecc), che permettono di ottimizzare il

processo di produzione dando inoltre la possibilità di

simulare la fabbricazione di prodotti con geometrie

complesse (Figura 41.14Figura 41.15).

41.5 Processi di formatura di compositi

per laminazione manuale,

compressione e iniezione

a laminazione manuale è una tecnica a bassa

produttività, idonea alla produzione di

componenti di dimensioni medie e grandi. Possono

essere ottenuti, con costi di attrezzature contenuti,

componenti di grandi dimensioni come scafi di yacht,

componenti di veicoli (ad esempio elementi

carrozzeria, spoiler per veicoli industriali). La tecnica

richiede un elevato carico di manodopera e la qualità

dei manufatti è molto dipendente dall’abilità degli

operatori. Il processo, schematizzato in Figura 41.16,

consiste nella deposizione manuale di strati di tessuto

e/o mat su uno stampo trattato con agente distaccante e

nella loro impregnazione, ancora manuale, con resina

liquida. La resina a bassa viscosità viene solitamente

applicata mediante pennelli e passata con rulli per

aiutarne la penetrazione attraverso il rinforzo

riducendo l’aria intrappolata ed eliminarne l’eccesso.

Figura 41.16 – Laminazione manuale.

La laminazione/impregnazione avviene strato per

strato fino allo spessore desiderato. Solitamente, dato

il basso costo e le prestazioni limitate ottenibili,

vengono impiegati rinforzi in fibra di vetro, anche se

ove necessario possono essere impiegati anche kevlar

e carbonio. Il contenuto di rinforzo ottenibile è

generalmente limitato, solitamente inferiore a 30 %

vol. La tecnica consente facilmente l’aggiunta di

inserti, rinforzi, irrigidimenti come schiume o

riempitivi a nido d’ape.

Il manufatto possiede normalmente la sola superficie a

contatto con lo stampo esteticamente finita; la stesura

di un primo strato di resina pigmentata (gelcoat) prima

della laminazione del rinforzo consente di estrarre dallo

stampo direttamente il componente già verniciato al

termine dell’indurimento. Le resine più comunemente

impiegate sono reticolabili a freddo come le poliesteri, le

vinilesteri e alcuni sistemi epossidici, con una grande

prevalenza per le prime, che presentano un buon

compromesso tra prestazioni meccaniche, stabilità termica

ed economicità. In questo caso, l’indurimento avviene a

temperatura ambiente, al termine della laminazione, in

tempi dell’ordine di diverse decine di minuti o alcune ore.

La velocità di indurimento deve essere correlata al tempo

necessario per condurre la laminazione, evitando un

eccessivo aumento della viscosità prima della corretta

impregnazione del rinforzo. La lavorazione a basse

temperature consente l’impiego di attrezzature e stampi in

materiali economici (compositi, gesso, legno, lamiera).

L’indurimento a temperature più alte, indispensabile per

alcuni sistemi di resina (soprattutto epossidica), consente

di ridurre i tempi di reticolazione e di ottenere manufatti

con prestazioni e stabilità dimensionale superiori. Il

riscaldamento, solitamente a temperature di 60-100 °C

può avvenire in forno o mediante lampade IR.

La tecnica di laminazione spray ha applicazioni simili alla

tecnica manuale e consente di ottenere strutture estese e

complesse in tempi più rapidi. Fibre continue (roving)

sono alimentate ad una particolare pistola in grado di

tagliare le fibre a lunghezza prefissata e,

contemporaneamente, spruzzare resina e fibre sullo

stampo (Figura 41.17), stratificando fino allo spessore

desiderato. La successiva rullatura riduce l’aria

intrappolata e densifica il materiale. Fibre continue o

tessuti possono essere interposti per migliorare le

caratteristiche meccaniche. La tecnica spray si presta

all’automazione del percorso di spruzzatura, riducendo

così i costi di manodopera e ottimizzando l’uniformità

della deposizione.

Figura 41.17 – Pistola per laminazione spray.

L





Al fine di ottimizzare la compattazione, i laminati

prodotti manualmente o mediante spray possono essere

ulteriormente compattati e portati a reticolazione in

sacco a vuoto. In questo caso, la reticolazione viene

comunque condotta a temperatura ambiente o in forno

a temperatura media (60-90 °C), senza quindi la

necessità di attrezzature relativamente costose. Una

eventuale post cura fuori stampo può portare a

completamento la reticolazione del materiale.

Le tecniche di compressione quali sheet molding

compound (SMC) o bulk molding compound (BMC)

consentono alte produttività e l’ottenimento di

componenti rinforzati complessi con elevate

prestazioni. La compressione in stampo chiuso, inoltre,

permette un’ottima finitura superficiale e controllo

delle tolleranze dimensionali. I consistenti costi di

investimento per presse e stampi devono essere

giustificati da produttività che tipicamente

raggiungono e superano i 100.000 pezzi anno. I

materiali lavorati sono tipicamente resine

termoindurenti (poliesteri, fenoliche, epossidiche)

rinforzate con fibre di vetro. che, introdotti nello

stampo in quantità dosata, vengono formati in

pressione e portati a indurimento a caldo (Figura

41.18).

Figura 41.18 – Stampaggio per compressione.

Resina e fibre vengono solitamente premescolate in

forma di massa da stampaggio (BMC) o fogli

preimpregnati (SMC) in processi a parte.

Un tipico processo per la produzione di fogli

preimpregnati SMC è mostrato in Figura 41.19; Fibre

continue di vetro (roving) vengono tagliate in continuo

a lunghezza di 20-50 mm e raccolte tra due film di

supporto (carrier) su cui è depositato uno strato di

resina liquida (solitamente poliestere, ma anche

vinilesteri, fenoliche, epossidiche, ecc.). Il

preimpregnato, di spessore rilevante (fino a 6-7 mm)

tra i due film viene compattato e parzialmente

reticolato per aumentarne la viscosità e migliorare la

maneggiabilità. Viene quindi avvolto in rotoli dai quali

saranno successivamente tagliati a misura i fogli poco

prima della formatura per compressione a caldo.

Al fine di controllare le caratteristiche quali il ritiro

dimensionale durante la cura, la finitura superficiale, la

facilità di distacco dagli stampi, il comportamento al

fuoco, oltre che il costo, la resina viene solitamente

additivata con cariche minerali, lubrificanti, distaccanti,

ritardanti di fiamma ecc. Carbonato di calcio, caolino,

stearati, ossidi e idrati di calcio, magnesio, alluminio, sono

comuni additivi.

Figura 41.19 – Produzione di preimpregnati per SMC.

Al fine di ottenere prestazioni meccaniche superiori

possono essere impiegate fibre continue orientate,

eventualmente in combinazione con fibre discontinue

random. Il riempimento dello stampo può richiedere la

sovrapposizione di più strati di preimpregnato. Il

preriscaldamento della carica mediante elementi

riscaldanti a circolazione di aria o IR prima del

posizionamento in stampo consente di ridurre il tempo di

formatura e indurimento in pressa.

Nel BMC fibre corte (3 - 30 mm), resina, catalizzatori,

additivi, pigmenti ecc. sono mescolati a formare una

massa da stampaggio che, predosata, viene stampata in

pressa a caldo e a pressioni variabili da alcuni bar a

diverse centinaia di bar in funzione delle dimensioni e

della complessità del pezzo. I componenti prodotti per

BMC presentano generalmente proprietà meccaniche

inferiori a quelli ottenuti con SMC a causa delle inferiori

lunghezze di fibra e minore contenuto di rinforzo (10-20

% per BMC, 25-60% per SMC).

Oltre che per compressione, masse caricate con fibre corte

(BMC) possono essere stampate per iniezione in modo

simile ai termoplastici caricati (vedi Cap.29), con

opportuno adattamento del ciclo di stampaggio.

Una tecnica per ottenere componenti in matrici

termoindurenti non caricate è il reaction injection molding

(RIM); nel caso vengano impiegate resine rinforzate con

fibre la tecnica prende il nome di reinforced reaction





injection molding (RRIM) (Figura 41.20). Nel primo

caso un sistema di resina altamente reattivo,

solitamente a base poliuretanica, viene iniettato in

stampo chiuso immediatamente dopo la rapida

miscelazione dei (due) componenti reattivi. La

reazione di reticolazione avviene in pochi secondi

immediatamente dopo la miscelazione e durante

l’ingresso in stampo. La bassa viscosità dei

componenti, l’alta efficienza di mescolamento e la

rapida reazione consentono l’ottenimento di

componenti finiti, anche complessi in pochi secondi o

decine di secondi. Il componente principale del

processo è costituito dal miscelatore. I due fluidi

reattivi da miscelare sono tenuti in costante

circolazione per regolarne pressione e temperatura;

vengono quindi alimentati alla testa di miscelazione e

portati a contatto solo al momento dell’iniezione, che

può avvenire a pressioni limitate (pochi bar) in stampo

leggero.

Nella tecnica RRIM, simile a RIM, fibre di rinforzo

sono premescolate con uno dei due componenti

reattivi. Le fibre sono generalmente molto corte (<

1mm) per evitare un eccessivo aumento della viscosità

della miscela reagente.

La tecnica RIM può essere impiegata per ottenere

componenti strutturali (structural injection molding -

SRIM) iniettando resina reattiva in uno stampo dove

già è stato posizionato il sistema di rinforzo secco, in

modo simile a quanto avviene in RTM. A causa

dell’alta velocità di reazione della resina (solitamente

poliuretanica) SRIM consente la produzione di pezzi

di dimensioni inferiori a RTM, con minore contenuto

di rinforzo e maggiori porosità.

Figura 41.20 – Schema di RRIM.

Bibliografia [1] Brent Strong, A.,

“Plastics - Materials and Processing”

Prentice-Hall, 1996

[2] Campbell F.C.

“Manufacturing Processes for Advanced Composites”

Elsevier, 2003

[3] Campbell F.C.

“Manufacturing Technology for Aerospace Structural Materials”

Elsevier, 2006

Date post:	15-Mar-2020
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